粗糙元诱导的高超声速边界层转捩

基于有限体积方法,直接数值模拟了高超声速边界层内不同形状粗糙元导致的强制转捩现象;为了能够深入探究强制转捩机理,解析小尺度运动,同时又能够较好地捕捉激波,采用高阶色散最小耗散可调（MDCD）格式对Navier-Stokes方程组对流项进行重构。计算结果表明,数值结果与对应的实验值吻合较好;该方法能解析小尺度的流动结构以及规则结构的破碎与失稳过程,可揭示粗糙元引起的强制转捩机理,即此类强制转捩主要由粗糙元顶部的三维剪切层失稳导致。对多种粗糙元的转捩效果进行了定量研究,影响因素包括粗糙元形状、几何参数等。     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析,给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析,计算结果与理论及实验吻合。     

不可压壁湍流中基本相干结构

条带和流向涡作为壁湍流中的两类基本相干结构,对于理解壁湍流的生成演化具有重要意义。本文首先回顾了充分发展不可压壁湍流中,这两类基本相干结构从近壁区到远壁区、从低雷诺数到高雷诺数的发现、发展历程,并着重点论述其自相似和自维持的两个核心特征。然后,进一步讨论基于湍流自维持过程发现的一系列精确相干态,从N-S方程不变解的角度精确地描述了条带和流向涡构成的自维持单元。精确相干态同时具有自维持和自相似特征,且维度更低,构成了充分发展壁湍流的骨架,为采用动力系统理论研究壁湍流奠定了基础。近些年,精确相干态在解释亚临界转捩方面也获得了较大成功,为转捩的研究提供了新的视角,有望从动力系统角度关联湍流与转捩两个经典问题。     

A transition prediction model for boundary layers subjected to free-stream turbulence

The modifications of the mean and fluctuating characteristics of laminar boundary layers subjected to free stream turbulence (FST) are investigated numerically. In the region upstream of the transition onset, the fluctuations inside the boundary layer are dominated by elongated structures growing downstream in amplitude. These streaky structures, also called Klebanoff or breathing modes, are crucial to the transition process. A linear and parabolic approach, inspired by the hydrodynamic stability theory, is used to describe the streaks dynamic. The model is then applied to predict the transition position. The results are compared to experimental data, with various boundary conditions, including ERCOFTAC test cases.     

非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

伴流速度对平行喷口射流影响的数值研究

采用大涡模拟方法计算研究平行喷口出口马赫数为0.9,伴流速度比分别为0.1、0.3和0.5时的喷射流场特性。计算时采用高精度的数值模拟方法,并结合Smagorinsky亚网格尺度模型。考察了流场统计平均特性、脉动特性以及射流流场中涡结构的发展演变过程,结果表明:伴流速度的增大使得势流核长度变长,减缓了空间剪切层的发展,转捩延迟。喷射流场速度分布具有自相似性,而湍流强度的分布则不具有相似性。通过分析剪切层中轴向速度脉动、径向速度脉动、压力脉动在空间任意两点上的时空相关性,发现随着伴流速度的增大,脉动量在空间上的相关性减弱,而脉动量向下游的传递速率增加。该研究结果为进一步揭示伴流速度对喷流声场的影响提供基础。     

转捩对压缩拐角激波/边界层干扰分离泡的影响

为了研究转捩对压缩拐角内分离泡结构的影响,进行了来流马赫数2.9,24°压缩拐角激波/转捩边界层干扰的直接数值模拟（DNS）。通过在拐角上游平板的不同流向位置处添加周期性吹吸扰动激发流动转捩,使得转捩不同阶段进入拐角入口,从而在拐角内产生激波/转捩边界层的相互干扰。计算得到的平均速度剖面、壁面压力分布以及分离泡大小与风洞试验及以往直接数值模拟结果吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究了转捩过程对角部干扰区内分离泡结构的影响规律,分析比较了不同转捩阶段下角部分离区内湍动能的生成、耗散和分配机制。研究结果表明：转捩初期的拟序涡结构对分离泡尺度及形状影响最大,发卡涡包在角部拐点附近发生展向融合,并在角部区域形成湍流斑,此时分离泡尺度最小,形状呈现中间高两边低的山峰型。随着转捩的发展,分离区内湍动能生成和近壁区的耗散逐步降低,此时输运项起到了主要的平衡作用。     

壁面的表面粗糙度引起的Stokes层亚临界不稳定性

用数值模拟的方法研究了二维壁面的表面粗糙度下Stokes层的非线性亚临界不稳定性问题.发现当粗糙度高度极小时,响应系数曲线与线性情况就会产生较大偏离.随着粗糙度高度的增加,扰动1阶谱会出现亚谐波的成分,粗糙度高度的进一步增加使扰动1阶谱进入混乱阶段,显示出亚临界失稳的过程.根据粗糙度高度与扰动1阶谱演化的特征关系,定义了临界粗糙度高度,并给出临界粗糙度高度与雷诺数的关系曲线.结果表明:临界粗糙度高度随着雷诺数增大而减小.雷诺数为300左右时,微米量级的粗糙度高度就可能引起Stokes层的亚临界失稳,发生转捩,由此也可以给出实验中观测到的转捩通常都发生在雷诺数为300附近的原因.      

On Nonlinear-Evolution of C-type Instability in Nonparallel Boundary Layers

The process of evolution, especially that of nonlinear evolution, of C-type instability of laminar-turbulent flow transition in nonparallel boundary layers are studied by means of a newly developed method called parabolic stability equations （PSE）. Initial conditions, which are very important for the nonlinear problem, are investigated by computing initial solution of the harmonic waves, modifying the mean-flow-distortion, and giving initial value of TS wave and its subharmonic waves at initial station by solving linear PSE. A numerical method with high-order accuracy are developed in the text, the key normalization conditions in the PSE are satisfied, and nonlinear PSE are solved efficiently and implemented stably by the spatial marching. It has been shown that the computed process of nonlinear evolution of C-type instability in Blasius boundary layer is in good agreement with the experimental results.     

非平行边界层C型失稳的非线性演化(英文)

提出用抛物化稳定性方程(PSE)新方法,研究非平行边界层从层流向湍流转捩的C型失稳的演化过程,特别是非线性演化问题。研究了至关重要的初始条件,包括各扰动谐波的初始解、初始站均流变形的模拟、以及通过对线性 PSE 的求解获得 TS波和C型亚谐扰动的初始站值等。发展了高精度的数值方法,满足PSE的关键性正规化条件,实现非线性抛物化稳定性方程的有效求解和稳定推进。算例展示了Blasius边界层的C型失稳的非线性演化过程,与典型实验结果相吻合。     

基于易损面积分解的飞机多击中易损性评估的马尔可夫链法

 提出了一种适用于计算具有多组余度部件、部件之间任意重叠的飞机多击中易损性评估的马尔可夫链法。考虑到实际中飞机部件重叠广泛存在的特点,以基于概率的易损面积分解法为基础,通过确定飞机存在状态和计算状态转换矩阵,得出了通用的评估飞机易损性的计算方法。并对该方法编制了通用的计算机程序,进行了算例验证,结果与理论分析符合。实用中表明,所提出的方法通用性强,易于实现,解决了部件之间存在重叠情况的飞机多击中易损性精确计算问题。     

斜爆轰波系在受限空间内的演变及其临界条件的数值研究

针对斜爆轰发动机简化模型,采用多组分基元化学反应流动数值模拟技术,数值分析了斜爆轰波系在受限空间内的宏观结构特征及其演变,并进一步分析了爆轰波系结构转变的临界条件.研究结果发现,随着楔面角度的增加,依次出现四种结构:激波诱导燃烧、斜爆轰波双规则反射、回流区马赫反射、楔面燃烧.对于稳定的波系结构,楔面压缩角同时存在下临界...     

Detailed magnetic structure and stochastic threshold

Non-linear evolution of reconnection is too slow to explain-by itself-fast phenomena such as internal disruptions in tokamaks or flares in the solar atmosphere. It has been proposed that the change in topology could lead to field line stochastization, and hence to highly increased transport. An important objection to this idea is that the increase of transport coefficients should smoothly follow the amplitude of the perturbation, while the observations show a catastrophic transition. We have shown 1) that the shape of the structures (and not only their size or amplitude) evolve during non-linear evolution 2) that the stochastic threshold can be strongly influenced by the detailed shape. Therefore, sharp transitions can appear during the evolution, due to the combination of these two effects. We will first consider an idealized situation, namely the two-waves problem in slab geometry, for which we will study the effect of the separatrix shape on the stochastic threshold. In the second part, we will present an application to the internal disruption in tokamaks, with anm=1 perturbation in a toroidal magnetic configuration. In the last part, we will discuss possible applications of the studies on shape effects to the behaviour of trapped particles in structures of the solar atmosphere.     

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。     

超临界碳氢燃料的射流特性研究

针对未来先进航空发动机的超临界燃油喷射混合问题,采用纹影法对超临界正十烷(n-decane)/正戊烷(n-pent ane)混合物在静止环境中的射流激波结构进行试验,同时采用理论分析的方法研究了射流的相变途径和流量特性。纹影照片显示,在试验工况下射流在喷口附近呈现出马赫波等激波结构,燃料的压力是激波结构的主要影响因素。理论分析表明:在混合物的临界点附近,燃料压力较高时更有可能导致相变。由于物性的不同,大分子与小分子碳氢燃料的相变途径存在一定的差异,小分子燃料在喷射过程中更容易发生冷凝。采用1维等熵计算方法可以较精确地计算高温高压碳氢燃料的流量。     

超临界正十烷喷射到大气环境的喷射特性

研究了超临界正十烷(n-decane)喷射到静止常温常压大气环境中的近场射流结构及喷口附近的射流相变特性.研究结果表明,超临界正十烷喷射到静止大气环境中后会经历类似于理想气体不完全膨胀的过程,会在喷嘴下游产生马赫盘等激波结构,马赫盘的位置随喷射压力的提高而增大,而喷射温度对马赫盘位置几乎没有影响.当喷射温度较高时,超临界正十烷在喷嘴出口处直接进入气相区,没有凝结现象发生.而当喷射温度接近临界温度时,超临界正十烷会在喷嘴内部及出口处发生局部凝结,进入气液两相区.      

(高)超声速流动试验技术及研究进展

近年来,与高速飞行器相关的(高)超声速流动受到了极大的关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验方法和风洞设计技术提出了挑战。超声速纳米示踪平面激光散射(NPLS)技术是由作者所在团队研发的非接触光学测试技术。它能够以较高的空间分辨率来揭示超声速三维流场的一个瞬态剖面的时间解析的流动结构。介绍了NPLS技术以及基于NPLS开发的密度场测量、雷诺应力测量和气动光学波前测量等方法,并回顾了这些技术在超声速边界层、超声速混合层、超声速压缩拐角、激波/边界层相互作用和光学头罩绕流等流动中的应用,清晰地再现了边界层、混合层、激波等典型流场结构及其时空演化特性。另外,为了模拟和研究高空大气条件下边界层自然转捩和超声速混合层的转捩特性,介绍了高超声速静风洞、超-超混合层风洞的设计技术以及层流化喷管的设计方法。     

Corotating Interaction Regions in the Outer Heliosphere

We discuss the structure and evolution of CIRs and their successors in the outer heliosphere. These structures undergo significant evolution as they are convected to greater heliocentric distances. A progression of different types of structure are observed at increasing distance from the Sun. Similar structures are observed at similar heliocentric distance at different portions of the solar cycle. CIRs and their successors are associated with many important physical processes in the outer heliosphere. We discuss the relationship between these structures and recurrent phenomena such as cosmic ray variations, and review some of the associated theoretical models on the role of corotating structures and global merged interaction regions (GMIRs) in global cosmic ray modulation. We also discuss some outstanding questions related to the origin of non-dispersive quasi-periodic particle enhancements associated with CIRs and their successors in the outer heliosphere. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.